（环境工程专业论文）旱田土壤氮素流失特征及其控制途径研究.pdf

上海交通大学博十学位论文 摘要 旱田土壤氮素流失特征及其控制途径研究 摘要 土壤氮素流失一直是污染生态环境和困扰农业生产发展的一个重要 问题，当前世界各国都致力于研究提高农田氮肥利用率和减少土壤氮素 流失的方法与途径。本论文针对上海地区的气候、水文和旱田农作方式， 选择黄浦江上游地区小麦和蔬菜地，通过测坑定位试验，开展旱田土壤 氮素渗漏流失及径流流失特征、s c s 模型应用及其定量表征研究；并探讨 了减量施氮肥控制氮素污染的途径。对减少早地过量施氮肥对环境造成 的污染，降低上海地区水源污染负荷，制定合理科学的麦田、菜田施肥 结构和处方，具有十分重要的理论和实践意义。主要研究结果如下： 1 、以麦田、菜田为对象，采用氮素流失测坑定位试验，研究旱田土 壤氮素渗漏流失特征。结果表明，旱田土壤渗漏水中氮素流失主要由n 0 一。- - n 构成，占渗漏水t n ( 总氮含量，下同) 9 0 以上，而n h + 。一n 、0 r g - n ( 有- 机氮含量，下同) 在t n 中低于1 0 。每年楫岛到次年3 月是冬小麦降水 集中时段，降水量占总降水量的7 7 2 5 ，此时氮素流失量最大，( 不 施有机肥，只施用化学氮肥) 、n j 。( 施精制有机肥，代替化学氮肥2 0 ) 和n m ( 施粗猪粪肥，代替化学氮肥2 0 ) 处理的n 0 3 一一n 流失量分别占 总量的9 0 2 3 、8 8 0 4 和9 0 2 ，因此是防止麦田氮素流失的关键时 上海交通大学博十学位论文 摘要 期。 2 、采用径流流失及人工降雨试验，对旱田土壤的氮素径流流失特征 进行研究，结果表明，麦季降雨量为4 5 0 r a m 、5 2 0 r a m 和6 0 0 r a m 时，麦田径 流量分别为6 3 7 r a m 、1 0 7 8i n t o 和1 5 8 2 m m ；菜地全年平均降雨量1 0 5 3 1 0 8 4n l m 时，年径流量为2 5 8 6 2 7 3 9 删。麦田径流中t n 和n o 一。一n 平 均浓度为4 1 m g l ，2 9 m g l , 菜地径流中t n 和n 0 。- n 平均浓度为7 9 m g l ， 6 4 m g l ，上述参数可作为计算该地区旱地氮素降雨径流流失的依据。 3 、采用s c s 模型修正测坑试验渗漏水量，修正后，麦田和菜田t n 流失量( 包括渗漏和径流) 接近大田实际，当年降雨量为1 0 8 4 m m 左右时， 麦田t n 流失率为1 8 4 1 k g h m 2 ；常年菜地为5 5 6 9 k g h m 2 。 4 、在氮素用量相同的情况下，麦田使用精制有机肥代替2 0 的化学 氮肥可减少t n 流失量1 7 4 k g h m 2 ，n 0 3 - - n 流失量1 6 2 k g h d ；在菜田的 基肥中，以等氮量的精制有机肥替代3 0 的化学氮肥，渗漏液中的n 0 3 。n 下降6 4 5 ，而在基肥和追肥中以等氮量的精制有机肥分别替代1 2 和 1 3 的化学氮肥，渗漏液中的n 0 3 - - n 下降4 6 6 。 5 、氮肥变量处方与土壤氮素变化及小麦产量的关系研究表明，减施 1 2 、1 3 氮量的化肥，是有效减少氮素流失，提高氮肥利用率，确保作 物高产的重要途径。习惯氮量施肥时，基肥和追肥使用量各半的植株n d v i 值和s p a d 值高于单一用作基肥或追肥。氮肥分期追肥，有利于小麦籽 粒粒重的提高。在减施1 2 、1 3 氮肥用量的情况下，小麦仍获得较高的 i i 上海交通大学博十学位论文 摘要 产量，表明在当前小麦生产上减量使用氮肥的可行性。在减施1 2 氮肥 用量的情况下，氮肥利用率最高为1 7 4 6 ，每k g 氮增加小麦产量最高为 5 3 8k g 。减量1 3 氮肥的两个处理肥效与氮肥利用率的平均值与习惯施 氮量三个处理的平均值相近，分别为每k g 氮增产1 7 8k g 和1 8 6k g 小 麦，氮肥利用率8 3 8 和8 5 7 。不同变量氮肥处方的小麦氮肥利用率与 肥效的高低是一致的，随着氮肥用量的增加，出现了明显的报酬递减现 象。 6 、从降低化肥使用量入手，对防治菜田氮素流失，提高蔬菜品质开 展研究。结果表明，实施减量施化肥，在有效降低苊菜和苋菜硝酸盐含量 和土壤盐分的积累的同时，还提高了蔬菜产量和品质。其中，有机复合 肥比蔬菜专用肥( 对照) 大幅度降低芹菜硝酸盐含量，降低幅度达3 1 9 5 1 9 ；增产1 5 0 2 4 1 ；并降低芹菜粗纤维含量。大三元有机复合 肥对蔬菜硝酸盐含量和土壤盐分的控制效果优于n 。有机肥、大二元有机 复合肥和蔬菜专用肥，大三元有机复合肥可替代目前市场上的普通蔬菜 专用肥，有机复合肥大面积推广应用将有效减少菜田氮素污染。 关键词：旱田，测坑定位，氮素流失，氮肥处方，控制途径 i i i 上海交通大学博十学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nt h ef e a t u r ea n dc o n t r o l t e c h n o l o g yo fu p la n dn i t r o g e nl o s s a b s t r a c t l o s so fn i t r o g e nf r o ma g r i c u l t u r a ls y s t e m si sa ne c o n o m i cd e t r i m e n tf o r p r o d u c e r s t ot h ee n v i r o n m e n t ，n i t r a t ei nt h eg r o u n d w a t e ri sah e a l t hh a z a r d t h es c i e n t i s t sf r o ma l lo v e rt h ew o r l da l ec o m m i t t i n gt h e m s e l v e so n i m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no fn i t r o g e nf e r t i l i z e ra n dd e c r e a s i n gt h en i t r o g e n l o s so ff a r m l a n d t h en i t r o g e nl o s so ff a r m l a n da f f e c t ss e r i o u s l yt h eq u a l i t yo f i n h a b i t a n td r i n k i n gw a t e r , t h en o r m a lf u n c t i o no fc i t ye c o l o g i c a ls y s t e m ，t h e q u a l i t ya n ds e c u r i t yo fc r o pp r o d u c t si tw i l la l s ot h r e a t e nd i r e c t l yt h eh e a l t ho f i n h a b i t a n t i no r d e rt of o r mas c i e n t i f i ca n dr a t i o n a l n i t r o g e n f e r t i l i z e r s t r u c t u r ea n dp r e s c r i p t i o ni nt h ef i e l d so fw h e a ta n dv e g e t a b l e ，t h ef e a t u r ea n d c o n t r o lt e c h n o l o g yo fu p l a n dn i t r o g e nl o s sw e r ec a r r i e do u ti nu p p e rw a t e r s o u r c ec o n s e r v a t i o nz o n eo fh u a n g p ur i v e r , s h a n g h a i ，c h i n a i ti n c l u d e st h e u s eo fs c sm o d e l ，t h eq u a n t i t a t i v ee x p r e s so fu p l a n dn i t r o g e nl e a c h i n gl o s s t h er u l ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fu p l a n dn i t r o g e nl o s s a c c o r d i n gt ot h e c l i m a t e ，h y d r o l o g y , p l a n t i n gp a t t e m o fu p l a n dc r o p si ns h a n g h a i ，t h e 上海交通人学博十学位论文 a b s t r a c t t e s t i n g - h o l eo r i e n t a t i o ne x p e r i m e n ta n ds o m ec o n t r o l l i n gc o u n t e r m e a s u r e s w e r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： t h el y s i m e t e rm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h et r a n s f o r m a t i o np r o c e s s ， l e a c h i n gl o s sr u l eo fn i t r o g e ni nt h el e a c h i n gw a t e ro ft h ew i n t e rw h e a tf i e l d a n dt h ed i f f e r e n c eo fn i t r o g e nl e a c h i n gl o s sb e t w e e nt h el y s i m e t e rm e t h o d a n du p l a n dr e a l i t yw a sa l s oa n a l y z e db ya p p l y i n gs c sm o d e l t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h em o s to fn i t r o g e nl e a c h i n gl o s si st h en 0 3 - nl o s si nt h e l e a c h i n gw a t e ro ft h ew i n t e rw h e a t f i e l d i t sp r o p o r t i o ni nt nw a sm o r et h a n 9 0 h o w e v e r , t h en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o no fn h + 4 - n 、o r g ni nt h ew i n t e r w h e a tl e a c h i n gw a t e ro fd i f f e r e n tt r e a t m e n tw a sl o w e rt h a n1 0m g l ，t h et o t a l o f n h + 4 - na n do r g nl o s sw e r el o w e rt h a n1 0 t h e r e f o r e ，n o f - ni so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp o l l u t a n ti nt h eg r o u n d w a t e ra f t e rf e r t i l i z e ra p p l i c a t i o ni n u p l a n d t h ea p p l i c a t i o no fr e f i n e do r g a n i cf e r t i l i z e rc a nd e c r e a s et h ep o l l u t i o n o f n i t r o g e nt ot h ee n v i r o n m e n t i nw h e a tf i e l d ，u s i n gr e f i n e do r g a n i cf e r t i l i z e r s t or e d u c e2 0 c h e m i c a lf e r t i l i z e r s ，c o u l dr e d u c e1 7 4k g h m 2n i t r o g e na n d 1 6 2k g h m 2o fn 0 3 - ni nl e a c h i n gw a t e r t h ea d j u s t m e n to ft h el e a c h i n g w a t e ri nt e s t i n g h o l ee x p e r i m e n tm a yb ea p p r o a c h e dt of a r m l a n dr e a l i t yb y s c sm o d e l t h et nl e a c h i n gl o s so fn c k ，n j 2 0 ，n c 2 0w e r e1 3 6 7k g h m 2 ， 11 9 3k g h m 2 ，16 71k g h m 2r e s p e c t i v e l y i no r d e rt op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rr a t i o n a lu t i l i z a t i o no fn i t r o g e n 上海交通大学博士学位论文a b s t r a c t f e r t i l i z e r sa n dp r e v e n tn i t r o g e np o l l u t i o nt ow a t e r r e s o u r c e s ，n i t r o g e nl e a c h i n g i nv e g e t a b l ef i e l d sw e r ee x a m i n e db yl y s i m e t e rm e t h o da n das e q u e n t i a l r o t a t i o no fc h i n e s ef l a tc a b b a g e ( b r a s s i c ac h i n e n s i slv a l r o s u a r s ) a n d l e t t u c e ( t a a u e a 砌l - ) w i t he q u a ld r e s s i n g so ft o t a ln i t r o g e nf r o m d e c e m b e r2 0 0 2t om a y2 0 0 3i nam a j o rv e g e t a b l ep r o d u c t i o nb a s eo f s h a n g h a is u b u r b a n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tl e a c h e dn i t r o g e nc o n s i s t e d m a i n l yo fn 0 3 。n ，w h i c ha c c o u n t e df o rm o r et h a n9 0 o f t h et nl o s sa n d c o u l dc o n t r i b u t et og r o u n d w a t e r p o l l u t i o n d a t aa l s os h o w e dt h a tt h el e a c h e d n 0 3 - nw a sr e d u c e dt o6 4 5 b ys u b s t i t u t i n g3 0 o fc h e m i c a ln i nab a s a l d r e s s i n gw i t he q u i v a l e n tn i t r o g e no fr e f i n e do r g a n i cf e r t i l i z e rf o rt h ec h i n e s e f l a tc a b b a g ef i e l d w h i l e4 6 6 o ft h el e a c h e dn 0 3 - nw a sr e d u c e di nt h e l e t t u c ef i e l db ys u b s t i t u t i n g1 2o ft h ec h e m i c a ln i t r o g e ni nab a s a ld r e s s i n g a n d1 3o f t h ec h e m i c a ln i t r o g e ni nat o pd r e s s i n gw i t he q u i v a l e n tn i t r o g e no f r e f i n e do r g a n i cf e r t i l i z e r s i nt h et w o - y e a rs e q u e n t i a lr o t a t i o ns y s t e mo f c h i n e s ef l a tc a b b a g ea n dl e t t u c e ，n 0 3 。nl e a c h i n gw a su pt o4 6 5 5k g h m 2i n t h et r e a t m e n tw i t ht h eh i g h e s ta m o u n to fc h e m i c a lf e r t i l i z e r , w h i l et r e a t m e n t p l o t sw i t ht h eh i g h e s ta m o u n to fo r g a n i cf e r t i l i z e rh a do n l y17 5 8k g h m 2 t h u s ，p a r t l ys u b s t i t u t i n gr e f i n e do r g a n i cf e r t i l i z e rf o rc h e m i c a ln i t r o g e nh a sa g r e a ta d v a n t a g eo f r e d u c i n gn o s 。nl e a c h i n gi nt h ef i r s tt w os e a s o n s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nn i t r o g e nf e r t i l i z e r p r e s c r i p t i o n a n ds o i l i i l 上海交通大学博十学位论文 a b s t r a c t n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o n ，a n dw h e a ty i e l d sw e r es t u d i e d t h el e a c h e dn i t r o g e n w a sr e d u c e di nw h e a tf i e l db yd e c r e a s i n g1 2o r1 3t h ec h e m i c a ln i t r o g e n f e r t i l i z e r , t h eu t i l i z a t i o no fn i t r o g e nf e r t i l i z e ri nw h e a tf i e l dw a si n c r e a s e d ，a n d t h es t a b i l i t yo fw h e a ty i e l d sw a si n s u r e di nt h ee x p e r i m e n t so fn i t r o g e n f e i t i l i z e rp r e s c r i p t i o n t h ec o e f f i c i e n to fn i t r o g e nf e r t i l i z e ru t i l i z a t i o ni nw h e a t f i e l dw a s17 4 6 t h ew h e a ty i e l di n c r e a s e do fp e rk gn i t r o g e nw a s5 3 8k g ( g r a i ny i e l d ) b yd e c r e a s i n g1 2t h ec h e m i c a ln i t r o g e nf e r t i l i z e r ，a n dt h e s ew e r e b e s tr e s u l t si nt h ee x p e r i m e n t so fn i t r o g e nf e i t i l i z e rp r e s c r i p t i o n t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a ti ti sf e a s i b i l i t yf o rd e c r e a s i n gt h eq u a n t i t yo fc h e m i c a ln i t r o g e n f e r t i l i z e ri nw h e a tf i e l d t h ee f f e c t so fo r g a n i cc o m p l e xf e r t i l i z e ro nn i t r a t ea c c u m u l a t i o na n dt h e d e t e r m i n a t i o no fs a l tc o n t e n ti n s o i l i nt w os p e c i e so fe d i b l e l e a fv e g e t a b l e w e r ee x a m i n e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea v e r a g en i t r a t ec o n t e n ti nc e l e r y w i t ht h r e eo r g a n i cc o m p l e xf e r t i l i z e r sw a s213 3 m g k g a m o n gt h e m ，n i t r a t e c o n t e n ti nc e l e r yw a s18 0 3 m g k gb ya p p l y i n gm a j o rt e m a r yo r g a n i cf e r t i l i z e r s a l tc o n t e n t ( e c ) w a st h el o w e s ti ns o i lw i t ht h em a j o rt e r n a r yo r g a n i c f e r t i l i z e r ：o 7 9 m s c mi nt h el a y e r ( 0 1 0 c m ) s o i l ，0 5 5 m s c mi nt h el a y e r ( - l0 2 0 c m ) s o i l t h e r e f o r e ，a p p l y i n gm a j o rt e m a r yo r g a n i cf e r t i l i z e rc a n d e c r e a s en i t r a t ec o n t e n ti ne d i b l e l e a fv e g e t a b l ea n ds a l ta c c u m u l a t i o ni ns o i l t h ee f f e c t so ft h r e eo r g a n i cc o m p l e xf e r t i l i z e r so nt h eg r o w t h ，y i e l da n d i v 上海交通大学博十学位论文 a b s t r a c t q u a l i t yo fv e g e t a b l e sw e r eb e t t e rt h a nt h o s eo fc h e m i c a lf e r t i l i z e r a p p l y i n g o r g a n i cc o m p l e xf e r t i l i z e ri m p r o v e d t h ep e r c e n t a g eo fe m e r g e n c e ，w a s b e n e f i c i a lt ot h eg r o w t ho f p l a n tr o o ts y s t e m ，a n di n c r e a s e dt h ey i e l do f c e l e r y b y1 5 0 0 旷2 4 1 a sw e l la se f f e c t i v e l yr e d u c e dt h ec o n t e n t so fn i t r a t ea n d c r u d ef i b e ri nt h ep o r t i o no fc e l e r y e s p e c i a l l y , t h en i t r a t ec o n t e n ti nc e l e r y d e c r e a s e db y31 9 51 9 k e y w o r d s ：u p l a n d ，l y s i m e t e rm e t h o d ，n i t r o g e nl o s s ，n i t r o g e np r e s c r i p t i o n ， c o n t r o lt e c h n o l o g y v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孝柙奄 日期：矽。么年口月影日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查i ) i 矛i 借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：椭 日期：尹。辟r 护月“e l 指黝师獬：p 他 日期办“年i 。月彤日 ， 上海交通大学博十学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 发达国家农业集约化的发展早于我国，自2 0 世纪5 0 年代。特别是8 0 年代 各种农用化学品的投入量高速增长，由此引发农业面源污染问题同益升级。自 2 0 世纪7 0 年代未以来，欧美发达国家开始重视对农业面源污染的研究和治理， 3 0 多年来已积累了丰富的经验。全球范围内，水资源的污染和清洁水源的短缺 在不断加剧。目前公认农业引起的面源污染是目前水体污染中最大的问题之一。 特别是随着对点源污染控制的逐步加强，在水体污染中农业面源污染所占的比重 不断增加。美国环保局( e p a ) 2 0 0 3 年的调查结果显示，农业面源污染是美国河 流和湖泊污染的第一大污染源，导致约4 0 的河流和湖泊水体水质不合格，也是 河口污染的第三大污染源，是造成地下水污染和湿地退化的主要因素。在欧洲， 农业面源污染同样是造成水体、特别是地下水硝酸盐污染的首要来源。例如在瑞 典，由于农田过量施用化肥，不同流域来自农业的氮占流域总输入量的6 0 9 6 8 7 。同样，在爱尔兰，大多数富营养化的湖泊也由面源污染所致。在芬兰，2 0 的湖泊水质恶化，而农业面源排放的氮素和磷素在各种污染源中所占比重最大， 占总排放量的5 0 以上，各流域内高投入农业比例大的湖区更容易导致氮、磷等 营养物质的富集“。 我国是世界上最大的化肥消费国，化肥的大量施用，一方面为促进粮食增产、 农业增效、农民增收作出了重要贡献，但是，另一方面，由于我国科学施肥水平 整体不高、部分地区盲目施肥现象严重，不仅增加农业生产成本，降低生产效益， 而且造成了肥料资源的巨大浪费，导致土壤养分失衡、生产力不稳，农产品品质 下降，环境污染严重。我国每年因过量、不合理施肥造成1 0 0 0 多万吨的氮素流 失到农田之外，污染地下水，使湖泊、河流和浅海水域生态系统富营养化，导致 水藻生长过盛、水体缺氧、水生生物死亡；同时，施用的氮肥中有很多以温室气 体n 2 0 形式逸失到环境中。目前，氮肥过量使用等造成的面源污染正在形成土壤、 水体、生物到大气的立体污染格局，并成为我国水体富营养化的主要污染源之一 0 1 。农田氮素流失一直是困扰农业生产发展和影响生态平衡的一个重要问题，当 前世界各国致力于研究提高氮肥利用率和减少氮素损失的方法与途径，近年来国 内外有一些关于农田氮素流失方面的定量方法与模型构建等研究成果，但是该研 上海交通大学博十学位论文第一章文献综述 究领域亟待要解决农田氮素流失的特征与规律的定量化问题，同时，需要研究提 出适合各地区农业生产实际的化学氮肥科学合理施用技术、以及切实可行的农田 土壤氮素流失控制途径。 1 1 农田氮素流失的途径及其危害 1 1 1 农田氮素流失的途径 据联合国粮农组织( f a o ) 的统计表明，化肥对提高农作物产量的作用占 4 0 6 0 ，而我国化肥对作物增产的作用占3 0 4 0 。1 。b a l i g a r 等( 2 0 0 1 ) 报 道了当前全球氮素的施用情况：非洲为2 1 0 力吨，北美洲中部为1 2 6 0 万吨，南美 洲为2 4 0 力吨，甄洲为4 4 9 0h 吨，欧洲为1 4 5 0h 吨，大洋洲为8 0 万吨o 。据f a o ( 1 9 9 6 ) 公布的数据，大约有6 0 的作物氮素来自氮肥。掘报道，1 9 9 9 年全球从氮 肥中流失的氮相当于1 5 9 亿美元1 4 e 目前美国等一些发达国家的化肥利用率约 为5 0 5 5 ，而我国化肥利用率约为3 5 左右，其中氮肥约为3 0 3 5 ，磷肥 1 0 2 0 ，钾肥3 0 5 0 0 1 。我国在施用化肥时以氮肥为主，1 9 9 5 1 9 9 6 年我 国氮肥的消耗量已处于世界第一。由于利用不完全而导致氮肥通过土壤富集，进 入地表水和地下水等途径流失。据统计全国每年氮肥用量约2 0 0 0 万吨，以平均 损失6 5 计算，则氮肥损失量达1 3 0 0 万吨，相当于尿素2 8 0 0 多万吨，折合人民 币3 3 6 0 多亿元嘲。 氮素进入农田后可以分为三部分：( 1 ) 被作物吸收，即氮肥的当季利用率； ( 2 ) 残留在土壤中转化成有机氮和固定态铵；( 3 ) 通过不同机制和途径而损失，包 括径流流失( 进入地表水，引起富营养化) ，渗漏流失( 1 1 入地下水，使得n o t - 富集) ，以n h a 的形式挥发；以n 2 0 、n o 、n 0 2 、n ：的形式损失；因风蚀和水蚀引起 的有机氮和无机n 0 3 - - n 和n h 4 + - n 的迁移：在反硝化的作用下形成n 2 和n 2 0 “1 。其 中，径流流失和渗漏流失是氮素损失的基本途径，如果降雨量和氮素施用量的增 加都会导致径流流失和渗漏流失的增加。 1 1 1 1 径流流失 农用氮素径流流失的能量主要依靠降雨。降阿的冲击动能引起地表土壤扰 动，进而产生悬浮土壤颗粒，在迁移过程中，地表径流可冲刷所经过地块的地表 土壤，或随径流量的降低，径流中夹带的土壤颗粒发生沉淀，造成氮素流失。以 2 上海交通大学博十学位论文 第一章文献综述 水稻为例，由于常年储水土壤含水量处于饱和状态，当降雨使水稻用的储水量大 于田间持水量时产生径流，从而使氮素流失；其次，不适当的灌溉也会造成径流 流失，其营养物输出主要为矿质氮或吸附于土壤颗粒表面以无机态和有机质形式 存在的氮。流失的氮绝大部分将沉积于海洋、湖泊和河流，- 4 , 部分又会进入农 田生态系统。 国外在2 0 世纪7 0 年代就开始有关农田氮素径流流失对水体的影响研究。据 报道。美国受污染的河流、湖泊中分别有6 4 和5 7 是由径流流失引起的，径流中 硝态氮浓度偏高与施肥方式和时期有关。我国包括氮素在内农用化合物随地表径 流流失的研究刚刚起步，于兴修等( 2 0 0 2 ) 研究表明，在相同降阿条件下，不同 土地利用类型径流过程及径流量差别很大，径流增加及积累径流量大的是稻用； 径流中氮素流失以颗粒氮为主，有效态氮中硝态氮和铵态氮为主。张兴昌等 ( 1 9 9 6 ) 认为，土壤氮素特别是有机态氮流失实际上是地表径流与土壤氮素相互 作用的结果，并通过试验建立了黄土高原地区土壤氮素流失与土壤侵蚀的关系方 程。晏维金等 4 3 则对水稻f 开氮素径流流失进行了定量研究，发现施肥后流失量 达到1 2k g h m 2 ，是不施肥情况下的1 0 3 0 倍”1 。 影响径流流失的因素很多，从预防的角度分析，可将其归纳为以下几种。 土壤质地和土地利用类型。土壤质地影响土壤肥力，保肥性能强的土壤能够较多 地固定化肥中的铵，因而可以减少化肥径流流失量。施肥种类、方法和时间。 化肥宜分次施用，分次施用比仅作为基肥的利用率高9 8 2 1 9 ，并且深施 比表施损失小。降雨强度和降雨量。降雨通过雨水对土壤的侵蚀程度，以及形 成径流的早晚影响农田中化肥的流失。降雨量大氮素流失趋势也大。耕作方法。 有的地区有施肥后耕地的习惯，使部分氮素溶入田面水层，当出现降雨会导致氮 素随径流流失。氮素淋失量则主要与施肥量、降雨量、土壤质地、作物种类、季 节等因素有关”1 。 1 1 1 2 渗漏流失 农田氮素渗漏流失来源于地表径流和土壤水的向下渗漏。据l e g g 等( 1 9 8 2 ) 估计，渗漏淋失的氮素占施氮量的0 5 0 ，氮素渗漏的多少主要受降雨量、灌 溉量、施肥量、土壤厚度和渗透性、温度、地表覆盖度等因素的影响。硝酸盐离 子与土壤离子同带负电荷，不容易被土壤微粒吸附，故氮素渗漏以硝酸盐为主。 上海交通大学博+ 学位论文 第一章文献综述 硝念氮的淋失早在1 9 0 5 年就受到英国科学家w a r r i n g t o n 的注意，此后研究逐渐 深入，特别是近年来对环境问题的关注，使其在渗漏流失理论、模型、数量及有 效性等方面进行了大量的探究工作”1 。 农田氮素形态从铵态氮转变为硝态氮并不表明氮素已经从土壤系统流失，而 是比较易于流失，距离饱和状态还需一定时间，等到土壤足够湿润，氮素才会以 反硝化或渗漏的形式流失。正如l e g g 等( 1 9 8 2 ) 认为，发生硝念氮淋失须具备两 个先决条件：土壤中n 0 3 一含量高和有足够下渗的水将n 0 3 一- s 淋失到根区以下，特 别是当大量硝态氮肥或铵态氮肥施于作物生长早期或当作物根系处于非活跃期， 以及当降雨量大或作物被过量浇灌时，渗漏流失尤其大。陈义( 2 0 0 3 ) 利用大型 原状土柱渗漏池进行水稻薄露灌溉与常规浅层灌溉对比试验，结果表明：水稻薄 露灌溉可节水1 1 7 ，单季晚稻减少n 0 3 _ n 渗漏流失0 6k g h m 2 ，减少n 嘎刈 渗漏流失率达1 2 ；反映到单季晚稻产量上，薄露灌溉每池( 4 m 2 ) 收稻谷2 9 0k g ， 常规浅层灌溉每池收稻谷2 。7 5k g ，薄露灌溉增产5 4 5 “1 。 还有的研究表明，在多雨的温带土壤中，氮素的渗漏流失2 0 3 0k g h m 2 ， 在欧洲和美国中部的某些地区甚至高达5 0k g h m 2 。另外，土壤c n 、p h 值、坡 度、坡向也有影响。土壤中粉粒粘土和有机质越多，硝态氮的渗漏淋失速率越低。 v a n d r e c h t 等( 2 0 0 1 ) 通过地下排水方式计算因渗漏流失进入作物根系以下的硝 态氮，结果表明：平均2 0 4 0 的氮肥施用量进入地下水损失掉，甚至有的试 验区超过5 0 。渗漏流失是个渐进的过程，对当季作物来说，不会很快淋失到作 物不可能利用的深层而流失，往往是由于土壤氮素长期累加产生的效应。 s c h e l l e r 等( 1 9 9 5 ) 研究发现，当季作物收获后滞留在田间的硝态氮，经过微 生物整个冬季分解后，于次年春季才几乎全部流失出根际。 i 1 2 农田氮素流失的危害 农田中使用的氮素只有很少部分被植物利用，未被利用的部分便构成了潜在 的污染源。农业生产中由于氮肥的过量投入常带来的严重环境污染和对人体的危 害，特别是硝酸赫累积及其对环境的影响。饮用水和食品中过量的硝酸盐导致人 体高铁血红蛋白症，人体摄入的硝酸盐约8 0 来自蔬菜。氮是水体富营养化最重 要的伴随因子。农田氮素流失，不仅造成巨大的浪费，而且对土壤，水体造成了 严重污染，对工农业生产和人类健康造成了极大的危害。同时，它又是面源污染 4 上海交通大学博十学位论文 第一章文献综述 的来源之一“”。据报道，荷兰农业面源污染贡献的总氮占水环境污染的6 0 1 。 因过量施用氮肥而造成农田氮素流失的直接和间接危害主要有： 1 1 2 1 对地表水的污染 据研究，水体中由农业径流带入的氮、磷分别占人类活动排入水体中氮、磷 的3 1 和8 “4 ，而我国由农田径流带入水体中的氮占5 1 。据全国调查的5 3 2 条 河流中，8 0 受到不同程度的氮污染“”。1 9 9 1 年仅上海市西部的松江、金山、青 浦地区，光农田径流中的溶解性养分( 全氮、全磷、全钾) 流失就有9 8 0 0 t ，占 全年化肥纯施用量的1 5 ca 4 o 陕西、山东等省，自1 9 6 6 年以来就先后发现有连 片的高浓度硝酸盐水，其n 0 3 - - n 含量高达2 0 0 5 0 0 m g l ，个别地区如河南的商 水县城关，竟高达1 7 0 0 m g l “”。近年来，我国湖泊、水库的水体富营养化问题 开趋严重，处于富营养化状态的湖泊和水库，大部分位于我国东部平原地区特 别是长江中下游密集型农业区。对江苏太湖地区的地表水调查结果表明，各河流 ( 均为缓河流) 总氮偏量超标率8 8 1 0 0 ，湖水样总氮含量超标率1 0 0 。太湖 9 7 面积的水体已经呈中富营养状态，使近几年大面积蓝藻爆发。在进入太湖的 污染物中来自农田排水的占3 2 ，通过农田输入湖泊的氮量占输入湖泊氮总量的 7 3 5 。另据报道，我国五大淡水湖之一的巢湖受到严重污染，目前巢湖约有 7 0 的氮来源于农田土壤流失的氮素。此外有统计表明，全国大江河的干流有 1 2 7 、支流有5 5 受到污染。我国长江河口河水中硝酸盐总量高达0 4 9 o 9 5 腿g ，而世界河口平均值仅为0 1 1 t g g ；黄河干、支流河水总氮含量在1 9 8 0 - - - 1 9 9 9 年间加速上升，其主要原因之一就是沿途农田氮肥施用量的不断增加，而有大量 氮素流失到水体中。土壤氮素流失，加剧了地面水体的富营养过程，从而引起藻 类大量生长，使水中氧气耗竭而导致水生生物死亡或绝迹”。 1 1 2 2 对地下水的污染 长期过量施用氮肥不仅使地面水体富营养化，而且导致地下水和饮用水硝酸 盐污染。世界卫生组织( 1 | h 0 ) 规定，饮用水中n 如一- n 浓度应低于1 1 3 m g l ，不 得超过2 2 6 m g l 。我国地下水质量标准为硝态氮2 0m g l ，亚硝态氮o 0 2 m g l 。近年来，地下水源中n 0 。- - n 的污染程度和范围有不断增加趋势，美国很多 地区都发现地下水中n 瓯- n 浓度增高。在加利福尼亚和伊利诺斯州的一些地区， 井水里的n o 。- - n 含量已达到了有害程度。在对我国北方地区6 9 个点位的调查表 上海交通人学博十学位论文第一章文献综述 明3 7 个点位的地下水中n 0 3 一- n 含量已高达5 0 m g l “1 7 o 到1 9 9 2 年止，氮素为地 下水主要污染物质的城市有1 1 个，污染城市的2 6 7 。张维理等对北京、津、 唐地区1